“不可能的晶体”独享巨额奖金

    晶体结构中不允许出现5次和6次以上的旋转对称性——这一学术界主流观点被写进各国教科书，在100多年里被奉为圭臬，直到以色列科学家丹尼尔·舍特曼证明它错了，进而改变了科学界对物质结构的看法。舍特曼不但为此获了今年的诺奖，还将少见地独享巨额奖金。

    北京时间10月5日下午5点45分，瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔化学奖授予以色列科学家丹尼尔·舍特曼。他的贡献是在1982年发现了准晶体，从根本上改变了科学界对物质结构的看法。此次舍特曼将独享146万美元的奖金，这也是近年诺奖中少见的。

    自然界中，很多固体物质都以晶体的方式存在，它们在宏观上表现出特定的对称性。早在19世纪90年代，俄罗斯科学家菲德罗夫、德国科学家巴罗就各自证明，为了满足晶体的平移对称性，晶体只能出现n=1、2、3、4、6等5种旋转对称轴，晶体结构中不允许出现5次和6次以上的旋转对称性。

    这一说法成了国际学术界主流观点，被写进教科书里奉为圭臬，100多年来没有人怀疑其正确性。即使在实验中偶然发现了被理论禁止的晶体对称结构，人们首先怀疑的也是实验靠不靠谱，而不是理论有问题。

    “不可能存在的晶体”出现了

    以色列科学家舍特曼和布莱克在研究航空用高强度铝合金时，想通过急冷使铝中固溶较多的锰、铬、铁等合金元素产生固溶强化。1982年，他们在急冷一种铝锰合金时，无意中发现了5次对称衍射图。他们弄不清这是什么，于是找到美国国家标准局的晶体学专家卡恩请教。卡恩信口说，这是金、银、金刚石、硅、锗中常见的5次孪晶。

    晶体中的两晶块以特定取向关系相交接，构成原晶体结构没有的对称关系时，这样的一对连生晶块被称作孪晶。舍特曼和布莱克知道这个解释未免牵强，但还是试着把论文寄给美国《应用物理杂志》，不幸被退稿了。

    后来，两人又去请教法国科学研究中心冶金化学研究所的格拉提斯，由于实验结果与传统晶体学的周期性相矛盾，格拉提斯认为很难被主流接受。1984年秋，格拉提斯在加州大学圣芭芭拉分校的一次理论物理讨论会中，听了理论物理学家斯坦哈特的报告，发现他们关于20面体理论模型的衍射花样与舍特曼等人的实验结果完全一致。

    他们决定把理论和实验结果同时寄到物理学界最权威的《物理评论快报》，当时接手的编辑安排两篇文章以最快速度先后发表，从此，“准晶”这个新名称诞生了。

    “中国相”迟来一步

    准晶的概念在诞生之初，曾遭受一些物理学权威的激烈反对，他们认为所谓准晶就是众人皆知的孪晶。例如双料诺贝尔奖获得者、美国科学院院士鲍林（1954年诺贝尔化学奖，1962年诺贝尔和平奖），在《自然》杂志上用“胡说”一词来评价准晶的发现，称舍特曼为“准科学家”，并利用自己能在《美国科学院院刊》上不经审稿直接发稿的特权，连发文章对准晶进行狂轰滥炸。

    但舍特曼的信念并未被动摇。“鲍林是一名伟大的科学家，但这次他错了。”他说。直到关于准晶的证据越来越多，才令其存在得到确认。舍特曼也因此获得了除诺贝尔奖之外的几乎所有科学奖励，这是后话。

    准晶的发现，引发了上世纪80年代全球性的准晶热，当时，中国、日本与美国成了引领准晶研究的“三驾马车”。舍特曼等人的文章是在1984年11月12日刊登出来的，几乎就在同时，我国著名科学家郭可信院士的博士生王大能于1984年夏，在合金相的纳米畴中发现了五重旋转对称。时过不久，他的另一名博士生张泽又在钛-钒-镍合金中发现了5次对称电子衍射图。

    虽然两人都晚了一步，但这是首次有报道在过渡族金属中合成准晶，在国际上产生了不小影响，被一些学者称为“中国相”。

    在郭老带领下，他的学生还先后发现了二维8次对称准晶和12次对称准晶，并在国际上首次生长出毫米级的10次稳定准晶单晶。准晶的发现创造了中国科学的一个奇迹，被认为是真正达到国际水平的一项研究。

    准晶之谜还没有完全揭开，特别在二维准晶中，8次、10次和12次等偶数对称性的准晶先后被发现，奇怪的是，7次、9次、11次等奇数对称性的二维准晶一直没有被发现。有人认为这种奇、偶对称性不守恒是自然界所固有的。郭老倾向于将来会在实验中发现奇数次的二维准晶，但一直没被实验证实过，“跛脚”准晶仍是个谜团。